制药化工过程及设备共十三章第01流体流动

1制药化工过程及设备第01章流体流动21.掌握流体静力学基本方程式及其应用。2.掌握连续性方程式、柏努利方程式及其应用。3.掌握流动阻力的计算方法。4.熟悉常用流量计的结构和测量原理。5.熟悉常用管子、阀门及管件，了解管路连接及管道布置技术。学习目标流体流动3概述

流体输送测量压强、流速、流量

为强化设备提供适宜的流动条件流体流动的基本规律是化工原理的重要基础化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。流体流动4第1节流体静力学一、流体的密度

流体：液体和气体特点流动性无固定形状

流体内部发生相对运动密度：单位：流体液体--不可压缩流体气体--可压缩流体密度数据的获取(1)查手册：化学工程手册(2)实测：比重计（液体）(3)计算流体流动5

理想气体状态方程：（一）气体的密度(标准状态)（理想气体在标准状态下的密度）第1节流体静力学一、流体的密度流体流动6—

组分的体积分率。混合气体：已知各组份的体积分率

—

组分的质量分率。（二）混合液体的密度混合液体：已知各组份的质量分率

第1节流体静力学一、流体的密度流体流动7

静压强：垂直作用于单位面积上的静压力(1)单位：SI制：

习惯使用单位：第1节流体静力学一、流体的密度流体流动8(2)计量基准：绝对真空(零压)第1节流体静力学二、流体的压强绝对压强大气压相对压强表压强=绝对压强—大气压强真空度=大气压强—绝对压强压强表真空表表示方法：真空度=-表压流体流动9大气压线绝对零压线(3)三者之间的关系AB第1节流体静力学二、流体的压强流体流动10例1:将南京操作真空度为740mmHg的真空蒸馏塔搬至兰州操作时,若要求塔内维持相同的绝对压强,其真空表读数应控制多少？南京的大气压强为761mmHg,兰州地区的大气压强为640mmHg.例2:海平面处测得的密封容器内表压为5Pa,另一容器的真空度为5Pa。若将二容器连同压力表和真空表一起移至高山,其测出的表压强和真空度会变化吗？第1节流体静力学二、流体的压强流体流动11第1节流体静力学三、流体静力学基本方程式

流体静力学：研究的实质:流体静力学基本方程：研究流体在外力作用下处于平衡的规律。描述静止流体内部压强的变化规律描述在重力作用下，静止流体内部压强的变化规律的数学表达式。流体流动121)重力G:即：1.推导过程:受力分析2)作用于上表面积的压力P1

3)作用于下底面积的压力P2

流体静力学基本方程第1节流体静力学三、流体静力学基本方程式

流体流动13

讨论：2)

压强具有可传递性静止的*连续的同一种流体*同一水平面压强处处相等1)一定时3)(液柱高度)例题4)

气体：若高度差不大，压强相等5)

适用条件：静止的、连续的同一种流体不连续的流体，分段使用例题第1节流体静力学三、流体静力学基本方程式

流体流动14例：如图,敞口容器内盛有油和水,试判断,及、是否成立？答：(1)(2)(3)(非同一种流体)(同一种流体)(同一种流体)返回第1节流体静力学三、流体静力学基本方程式

流体流动15解：例：试比较上例中的大小。第1节流体静力学三、流体静力学基本方程式

流体流动16（一）压强和压强差的测量(1)普通U型管压差计(等压面)第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动17

讨论：1)2)被测流体为气体，3)测表压及真空度跟U型管的直径无关;跟连接管长度无关第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动181)倒U管压差计：结构:A—空气,B—被测液;计算:(2).测小压差差压计：第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动19例:常温水在水平等径管内以一定的流量流过1-1和2-2截面的压差为2.472kPa,问采用普通U管水银压差计和倒U管压差计测量,读数R分别为多少？已知水与汞密度为1000kg/m3及13600kg/m3。解：①U管压差计

(水银-水)②倒U管压差计

(水-空气)第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动20（二）液位的测量：1)普通玻璃管液位计

h’=h2)压差法测量液位第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动21解：3)远距离液位测量。自管口通入压缩氮气,用阀1控制气速很小(通过吹气管的流阻可忽略)。U管压差计的读数R,可反映贮罐内液位。已知指示液为水银,R=lOOmm,罐内液体密度125Okg/m3,贮罐上方与大气相通,求h为若干。第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动22（三）液封高度的计算(1)防爆(2)防泄漏第1节流体静力学四、流体静力学基本方程式的应用流体流动23（二）流速第2节流体动力学一、流量和流速（一）流量1)平均流速2)质量流速体积流量质量流量单位时间内流体流过的距离流体流动24例:以内径105mm钢管输送压力2atm、温度120℃的空气。已知空气在标态下的体积流量为630m3/h，求此空气在管内的流速和质量流速。解：由PVT方程:第2节流体动力学一、流量和流速流体流动25（三）管径的估算：4.流速的选择：u大,则di小,投资费小,操作费用大；液体流速可取0.5-3m/s，气体流速可取10-30m/s。u投资费操作费总费用第2节流体动力学一、流量和流速流体流动26例:某居民小区需要铺设自来水管道,每天用水量为106kg,求所需管道的直径。解：查附录19,选用1144mm的无缝钢管,其内径为:

选取u=l.3m/s,可得:核算流速,即：第2节流体动力学一、流量和流速流体流动271

uA1<uB12uA2<uB2uA1=uA2，uB1=uB2（一）稳态流动—任一点上流速、压强等物理量均不随时间而变,仅随位置而变第2节流体动力学二、稳态流动与非稳态流动流体流动28（二）非稳态流动：对于非稳态流动：1

uA1<uB12uA2<uB23uA3<uB3uA1>uA2>uA3，uB1>uB2>uB3第2节流体动力学二、稳态流动与非稳态流动流体流动29对于稳态流动：输入量=输出量

推广到任一截面:不可压缩流体在稳态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律圆形管道第2节流体动力学三、连续性方程式流体流动30第2节流体动力学三、连续性方程式流体流动31例:输水管道内径为:d1=2.5cm;d2=10cm;d3=5cm。(1)当流量为4L/s时，各管段的平均流速为若干？(2)当流量增至8L/s时，平均流速如何变化？解：（1）同理：（2）流量增为原来的2倍，则各段流速亦增加至2倍，即u1＝16.3m/s，u2=1.02m/s，u3=4.08m/s第2节流体动力学三、连续性方程式流体流动32第2节流体动力学四、伯努利方程式

衡算范围：1-1至2-2截面

衡算基准：1kg不可压缩流体

基准水平面：0-0平面依据:输入总能量=输出总能量

（一）流体在流动过程中所涉及的机械能流体流动33①内能U:J/kg；②位能:③动能:(1)流体在流动过程中所具有的能量(对于1kg流体):mkg：位能=mgZ，Jmkg：动能=mu2/2，J④静压能(压强能)m

kg-V

m3：,J

1kg：位能=gZ，J/kg1kg：动能=u2/2，J/kg1kg-m3

：静压能,J/kg第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动34(2)外部环境对流体提供的能量(对于1kg流体):

①外功()—净功或有效功，J/kg；②热量()—获得的热量，J/kg；总能量衡算式第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动35机械能衡算式热力学第一定律:

—流体受热而引起体积膨胀所作的功,J/kg

式中

—因流阻而损失的能量，J/kg

不可压缩流体第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动36机械能衡算式机械能(E)伯努利方程式

理想流体(即),若,则：总机械能相等各项不一定相等能量之间相互转换（二）伯努利方程式（三）伯努利方程式的讨论(1)第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动37例:理想流体流经异径的水平管从1-1截面流至2-2截面。即部分静压能转化为动能第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动38例:理想流体在如图所示的等径管中作稳定流动时,机械能将如何转换？解：因此，部分位能转化为静压能

第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动39(2)实际流体第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动40

无外功：

输送条件：①P1②P2

压缩空气③Z1

④外加能量We：流体输送机械(3)输送流体的方法抽真空第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动41(4)静止时,(静力学方程）(5)对于可压缩流体：若,则—能量表达方式—压强表达方式若(6)gz，，，为某一截面上流体所具有的机械能，We，hf为流体在两截面间获得或损失的能量。第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动42(7)不同基准的柏努利方程：①以单位重量为基准—1N流体第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动43②以单位体积为基准—1m3流体第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动441.步骤(1)绘制流程图，标出流向(2)确定上下游截面(3)选择基准水平面五、柏努利方程式的应用(4)列柏努利方程求解第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动452.注意事项：(1)截面的选取(2)基准水平面选取*垂直于流动方向*连续流体*已知量较多*注意对应*与地面平行*宜取低水平面*Z值为垂直距离第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动46(3)物理量大小及单位：液面的流速视为0;出口管道的截面宜取管内侧*可用绝压或表压,但两截面须一致*Z,P以管中心线为基准*注意计算基准(1kg,1m3,1N)*u平均流速第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动47例:求We1200kg/m3P=101325Pa。蒸发室压强2OOmmHg(真空度)。15m,684mm,2Om3/h,全部能损为12OJ/kg。求泵的有效功率分析：上游截面：下游截面：1-1’，3-3’，4-4’5-5’，2-2’，6-6’第2节流体动力学四、伯努利方程式流体流动48解：由柏努利方程：其中49第3节流动现象与流动阻力一、流动现象

（一）流体的黏度AB

管流：流体流动50(1)(2)单位：粘度—物性参数(3)影响因素：流体种类与压力无关温度有关气体：T↑，μ↑液体：T↑，μ↓第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动51（二）流动类型与雷诺准数第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动52—无因次数群层流湍流过渡区层流区湍流区第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动53例:20oC的水在内径为50mm的管内流动,流速为2m/s。试判断水在管内的流动状态解：由附录查得水在20oC时,=998.2kg/m3,湍流第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动54层流—呈抛物线状分布,且湍流—与有关。（三）流体在圆管内的速度分布第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动55（四）层流内层①薄②随湍流程度增大，越来越薄很大③第3节流动现象与流动阻力一、流动现象流体流动56第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力阻力损失:1)流体具有粘性，流动时存在内摩擦2)流体流过阀门、管件、三通流动阻力hf直管阻力局部阻力hf’直管阻力损失+阻力损失=局部阻力损失流体流动57绝对粗糙度相对粗糙度—

管壁粗糙度光滑管粗糙管第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动58（一）直管阻力范宁公式＊其他表示形式＊适用于各种直管阻力＊第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动59(1)层流区()：四个区域：Moodyλ与无关，第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动60(2)湍流区(及虚线以下的区域)Moody(3)完全湍流区:=f(/d),与Re无关

虚线以上区域,又称阻力平方区。若ε/d为常数，λ即为常数第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动61Moody图层流湍流完全湍流流体流动62非圆直管流动阻力

当量直径例:外管内径为Di、内管外径为do的同心套管环隙:第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动63说明：①

②计算流速u时，应以实际的流通截面积计算。第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动64（二）局部阻力（1）阻力系数法：第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动65（2）当量长度()法::当量长度计算局部阻力时，λ及u值与管径为d的圆管相同。表示流体流过某一管件或阀门的局部阻力，相当于流过一段管径为d、长度为le的直管阻力。第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动66（三）管路系统的总能量损失总能量损失=全部直管阻力+全部局部阻力第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动67例:20oC水的流量为20m3/h。高位液面比贮罐液面高20m。吸入管和排出管均为573.5mm无缝钢管,吸入管直管长10m,一个底阀、一个90°标准弯头;排出管直管长25m,有一个全开闸阀、一个全开截止阀和两个标准弯头。液面恒定且与大气相通。求泵的轴功率,效率为65%。解：∵Z1=0,Z2=20m,u10,u20,p1=p2=0(表)故：第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动68式中由附录2查得20oC时=998.2kgm-3，=1.00410-3Pas，取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动69查Moody图第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动70（四）降低管路系统流动阻力的途径

尽可能缩短管路长度，减少不必要的管件和阀门

在不变的情况下，适当增大管径

降低流体的粘度

第3节流动现象与流动阻力二、流动阻力流体流动711.结构：第4节流速与流量的测量一、测速管流体流动72若测气速。第4节流速与流量的测量一、测速管流体流动731.结构第4节流速与流量的测量二、孔板流量计2.测量：流体流动74第4节流速与流量的测量三、文丘里流量计流体流动75第4节流速与流量的测量四、转子流量计《化工原理》课件——第1章流体流动流体流动76《化工原理》课件——第1章流体流动流量校正：若第4节流速与流量的测量四、转子流量计流体流动77第5节管子、管件、阀门及管道一、公称压力和公称直径《化工原理》课件——第1章流体流动（一）公称压力

公称压力是管子、阀门或管件在规定温度下的最大许用工作压力(表压)。公称压力常用符号Pg表示，可分为12级。序号123456789101112

公称压力/kgfcm-22.561016254064100160200250320MPa0.250.590.981.572.453.926.289.815.719.624.531.4流体流动78《化工原理》课件——第1章流体流动

（二）公称直径

公称直径是管子、阀门或管件的名义内直径，常用符号Dg表示，如公称直径为100mm可表示为Dg100。

公称直径并不一定就是实际内径。例如，管子的公称直径既不是它的外径，也不是它的内径，而是小于管子外径的一个数值。管子的公称直径一定，其外径也就确定了，但内径随壁厚而变。第5节管子、管件、阀门及管道一、公称压力和公称直径流体流动79第5节管子、管件、阀门及管道二、管子《化工原理》课件——第1章流体流动（一）钢管

焊接钢管：通常由碳钢板卷焊而成，以镀锌管较为常见。焊接钢管的强度低，可靠性差，常用作水、压缩空气、蒸汽、冷凝水等流体的输送管道。

无缝钢管可由普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢、合金钢等的管坏热轧或冷轧(冷拨)而成，其中冷轧无缝钢管的外径和壁厚尺寸较热轧的精确。无缝钢管品质均匀、强度较高，常用于高温、高压以及易燃、易爆和有毒介质的输送。

流体流动80《化工原理》课件——第1章流体流动（二）有色金属管

在药品生产中，铜管和黄铜管、铅管和铅合金管、铝管和铝合金管都是常用的有色金属管。铜管和黄铜管可用作换热管或真空设备的管道铅管和铅合金管可用来输送15~65%的硫酸铝管和铝合金管可用来输送浓硝酸、甲酸、醋酸等物料。第5节管子、管件、阀门及管道二、管子流体流动81《化工原理》课件——第1章流体流动非金属管无机非金属管有机非金属管

橡胶管、聚丙烯管、硬聚氯乙烯管、聚四氟乙烯管、耐酸酚醛塑料管、不透性石墨管等玻璃管、搪玻璃管、玻璃钢管、陶瓷管等第5节管子、管件、阀门及管道二、管子流体流动82第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门《化工原理》课件——第1章流体流动（一）常用阀门1.旋塞阀具有结构简单、启闭方便快捷、流动阻力较小等优点。旋塞阀常用于温度较低、粘度较大的介质以及需要迅速启闭的场合，但一般不适用于蒸汽和温度较高的介质。由于旋塞很容易铸上或焊上保温夹套，因此可用于需要保温的场合。此外，旋塞阀配上电动、气动或液压传动机构后，可实现遥控或自控。

流体流动83《化工原理》课件——第1章流体流动2.球阀

内有一可绕自身轴线作900旋转的球形阀瓣,阀瓣内设有通道。球阀结构简单,操作方便,旋转900即可启闭。球阀的使用压力比旋塞阀高,密封效果较好,且密封面不易擦伤,可用于浆料或粘稠介质。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动84《化工原理》课件——第1章流体流动3.闸阀内有一与介质的流动方向相垂直的平板阀心，利用阀心的升起或落下可实现阀门的启闭。其优点是不改变流体的流动方向，因而流动阻力较小。闸阀主要用作切断阀，常用作放空阀或低真空系统阀门。闸阀一般不用于流量调节，也不适用于含固体杂质的介质。缺点是密封面易磨损，且不易修理。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动85《化工原理》课件——第1章流体流动4.截止阀其阀座与流体的流动方向垂直，流体向上流经阀座时要改变流动方向，因而流动阻力较大。截止阀结构简单，调节性能好，常用于流体的流量调节，但不宜用于高粘度或含固体颗粒的介质，也不宜用作放空阀或低真空系统阀门。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动86《化工原理》课件——第1章流体流动5.止回阀内有一圆盘或摇板，当介质顺流时，阀盘或摇板即升起打开；当介质倒流时，阀盘或摇板即自动关闭。因此，止回阀是一种自动启闭的单向阀门，用于防止流体逆向流动的场合，如在离心泵吸入管路的入口处常装有止回阀。止回阀一般不宜用于高粘度或含固体颗粒的介质。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动87《化工原理》课件——第1章流体流动6.

疏水阀

疏水阀的作用是自动排除设备或管道中的冷凝水、空气及其它不凝性气体，同时又能阻止蒸汽的大量逸出。因此，凡需蒸汽加热的设备以及蒸汽管道等都应安装疏水阀。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动88《化工原理》课件——第1章流体流动7.减压阀

内设膜片、弹簧、活塞等敏感元件，利用敏感元件的动作可改变阀瓣与阀座的间隙，从而达到自动减压的目的。

减压阀仅适用于蒸汽、空气、氮气、氧气等清净介质的减压,但不能用于液体的减压。此外,在选用减压阀时还应注意其减压范围，不能超范围使用。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动89《化工原理》课件——第1章流体流动8.安全阀

安全阀内设有自动启闭装置。当设备或管道内的压力超过规定值时阀即自动开启以泄出流体,待压力回复后阀又自动关闭,从而达到保护设备或管道的目的。

安全阀的种类很多，以弹簧式安全阀最为常用。当流体可直接排放到大气中时，可选用全启式安全阀；若流体不允许直接排放，则应选用封闭式安全阀，将流体排放到总管中。

第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动90《化工原理》课件——第1章流体流动

一般情况下，阀门可按以下步骤进行选择：

(1)选择阀门材质。

(2)确定阀门的公称压力。

(3)选择密封面材质。密封面材质的最高使用温度应高于工作温度。

(4)确定阀门的公称直径。

(5)选择阀门的连接形式。

(6)确定阀门的类别、结构形式和型号。第5节管子、管件、阀门及管道三、阀门流体流动91第5节管子、管件、阀门及管道四、管件《化工原理》课件——第1章流体流动

450弯头